催化燃烧对均质压燃发动机燃烧特性影响的数值模拟

通过运用DETCHEM软件包,对甲烷在催化剂Rh表面的详细反应机理进行了分析,结果表明数值模拟结果与实验数据相当吻合;通过耦合DETCHEM软件包及CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对活塞顶涂有催化剂铑的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程进行了数值计算,建立了单区和多区模型．利用单区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机着火时刻的影响,同时讨论了催化燃烧对燃烧过程中主要化学组分浓度变化的影响,结果表明催化燃烧会使HCCI发动机着火时刻提前;利用多区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机的未燃碳氢化合物(UHC)、氮氧化合物(NOx)排放的影响,结果表明催化燃烧能降低UHC的排放,但会提高NOx的排放．     

催化燃烧对HCCI发动机着火点、燃烧性能及排放的影响

对甲烷在催化剂铑(Rh)表面的反应机理进行了分析。通过修改CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对活塞顶涂有催化剂的HCCI发动机的燃烧过程进行了数值计算,建立了单区、多区模型。利用单区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机着火时刻的影响,结果表明在控制HCCI发动机着火时刻方面催化燃烧有其他方式所没有的优势;利用多区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机的燃烧性能及HC、CO、NOx排放的影响,结果表明催化燃烧对燃烧效率、着火持续期有较大的影响,同时能降低HC、CO的排放,但会提高NOx的排放。     

柴油机燃用二甲醚复合燃烧优化控制试验研究

结合柴油机燃用二甲醚HCCI燃烧与缸内直喷燃烧各自的优点,提出了柴油机燃用二甲醚气道-气缸喷射复合燃烧方式.在一台改造过的2135柴油机上,通过调整预混合率和直喷供油提前角以及进气燃料设计对复合燃烧进行了研究.结果表明,燃烧过程包括HCCI燃烧和缸内喷雾的预混及扩散燃烧,燃烧方式主要受预混合率的影响而呈现不同的放热特征.采用适当的预混合率和直喷供油提前角,与HCCI燃烧比,复合燃烧在保持NOx基本不变的条件下有效地拓宽了发动机工况范围,同时降低了HC和CO排放.通过在DME中添加LPG降低燃料十六烷值来控制HCCI的燃烧,可降低NOx排放,在大预混合率下,发动机经济性得到改善.     

缝隙区催化燃烧影响HCCI发动机燃烧与排放特性的多维数值模拟

将发动机多维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN Ⅲ及DETCHEM相耦合,模拟了缝隙区催化燃烧对HCCI发动机燃烧及排放特性的影响.发动机以甲烷为燃料,其表面和空间采用详细的化学反应动力学机理.利用此模型分析了活塞顶部及侧面催化剂铂涂层对HCCI发动机着火时刻、缸内温度场及HC、CO、NO浓度场的影响.结果表明,当仅活塞顶存在催化剂涂层时,HCCI发动机着火时刻提前,HC、CO排放降低;当活塞顶及缝隙区同时存在催化剂时,HC、CO的排放更低,但NOx排放略有升高.     

汽油/乙醇双燃料复合喷射对发动机排放性能的影响

通过在一台汽油气道喷射(GPI)的单缸、四冲程发动机上增加一套乙醇缸内直喷(EDI)系统,将其改装成为双喷射发动机,研究了汽油/乙醇复合喷射对发动机排放性能的影响,并建立了发动机计算流体动力学(CFD)模型,详细分析了缸内各区域的温度和组分分布特点.结果表明:加入乙醇直喷可以有效降低CO、NOx和soot排放,提高乙醇能量占比后,CO、HC和soot排放又有所增加;点火时刻提前,缸内整体温度和压力逐渐增加,NOx排放显著上升,soot排放有所下降,由于局部混合气质量变差,燃料不完全燃烧导致CO和HC排放有所增加,同时受过冷壁面淬熄效应的影响,作为未燃碳氢(UHC)排出的燃料也会提高HC排放;乙醇喷射时刻提前,燃料有更充分的时间进行蒸发混合,缸内燃烧状况得到优化,CO和soot排放减少,NOx排放呈上升趋势,间隙效应和壁面油膜吸附作用的增强导致HC排放呈上升趋势.     

湍流对缸内存在催化燃烧的HCCI发动机燃烧与排放特性的影响

将发动机多维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN Ⅲ及DETCHEM相耦合,模拟了湍流模型对缸内存在催化燃烧的HCCI发动机燃烧及排放特性的影响.发动机以甲烷为燃料,其表面和空间化学反应采用了详细的动力学机理.分析了两种湍流模型对缸内存在催化燃烧的HCCI发动机着火时刻、缸内温度场及HC、CO、NO浓度场的影响,结果表明当采用RNG k-ε模型时,与采用标准k-ε模型相比,HCCI发动机着火时刻会有所延迟,HC、CO排放有所升高,但Nox的排放将会有大幅降低.     

压缩比对汽油HCCI燃烧和排放特性的影响

通过优化动力技术对一台四缸汽油机进行改造设计,实现均质混合气压燃(HCCI),考察了压缩比对汽油机HCCI负荷拓展及冷却液和进气温度对HCCI燃烧排放特性的影响。试验结果表明:提高压缩比可以在更低的进气温度下实现SI/HCCI燃烧模式的切换,CO排放升高,HC排放下降,NOx排放呈下降趋势,且在高负荷工况时下降得更加明显。在压缩比为15时,HCCI汽油发动机可以在1 200~3 600r/min转速范围内实现稳定燃烧,提高压缩比有效拓展了HCCI发动机负荷范围。随着进气温度及冷却液温度的升高,燃烧相位提前,燃烧持续期缩短,缸内压力、放热率及温度升高;缸内循环变动率减小,实现更稳定的HCCI燃烧;CO、HC排放也随之降低,但NOx排放有升高趋势。     

甲醇／二甲醚双燃料发动机的排放研究

采用甲醇和二甲醚(DME)双燃料实现均质压燃(HCCI)和复合燃烧,研究了这两种燃烧方式的排放特性.结果表明,HCCI有着极低的NOx排放,而复合燃烧在HC排放上占有优势.采用大的DME比例可以降低HC和CO排放,但NOx排放升高.HCCI燃烧的NOx和CO排放与缸内温度有着明显的对应关系;HC排放不仅与缸内温度有关,还与燃烧室几何参数有关.根据不同工况选取适当的甲醇喷射时刻,可以取得复合燃烧输出功和NOx排放间的平衡.     

缸内温度对柴油均质燃烧NOx排放影响的试验研究

采用在进气上止点附近进行燃油喷射,通过缸内高温残余废气促进燃油蒸发混合的方法,在单缸135柴油机上实现了柴油燃料的均质压燃(HCCI).对HCCI燃烧的燃烧特性和排放特性进行了测试分析,根据实测示功图计算了HCCI燃烧缸内温度,分析了其对NOx排放的影响,当缸内温度超过1700K时,将使HCCI燃烧的NOx排放显著增长.     

天然气混合催化燃烧特性

利用二次补燃技术研究天然气催化燃烧过程中的NOx、未燃碳氢(UHC)和CO排放及载体出口端温度的变化,找出适当的一次、二次燃料配比,使其产生最佳的排放效果.实验表明,适当的二次补燃有助于减少NOx排放,而CO、UHC排放仍旧维持较低水平.但随着二次补气量的增加,尽管NOx排放量变化不大,但当二次补气量超过某值时,CO、UHC排放会有所增加.研究还表明,二次补燃可以降低蜂窝陶瓷载体温度,避免了载体由于受到高温产生的热应力而导致的破裂以及催化剂由于高温而失效.     

燃料辛烷值对HCCI燃烧特征和排放特性的影响

将一台4缸高速轻型柴油机中的一缸改装，使其具有独立的进排气系统和燃油供给系统，研究了参比燃料及其混合物在均质压燃过程中的着火时刻、燃烧速率和NOx、UHC、CO排放．考察了正庚烷、异辛烷和各种不同比例的混合物在常温、常压下各种负荷的燃烧特性．研究发现：随燃料辛烷值增加，第一阶段着火时刻推迟，燃烧持续期缩短，第一阶段反应结束时的压力升高量和温度升高量减少；第一阶段的累积放热量取决于燃料中高十六烷值燃料的浓度；第二阶段的着火时刻与第一阶段着火时刻呈线性关系；第二阶段燃烧持续期随当量比的增加而减小，且随辛烷值增加而延长；随燃料十六烷值和当量比增加，CO和UHC排放大幅度改善．     

HCCI发动机多区燃烧模型的比较研究

多区模型作为现阶段均质压燃（HCCI）发动机高效准确的数值模型得到了世界范围的广泛关注。讨论了不同子模型对多区模型预测性能的影响。以实验为基准,比较了多区模型中区间划分、缸壁传热模型、区间热量交换模型、区间质量交换模型和边界层模型对HCCI发动机燃烧和排放模拟结果的影响,全部计算均基于异辛烷的详细化学动力学机理。结果表明：在区间划分时对温度较低的区域细化可以提高排放的计算效果,而对高温区域的细化对计算结果影响不大;改进的Woschni传热模型更准确地模拟了缸壁的传热过程;区间的质量和热量交换对计算结果影响显著,特别是质量交换模型的加入使CO排放的预测与实验值更为接近;而边界层厚度模型对整个结果影响不大。     

废气再循环和进气加热实现汽油机HCCI燃烧的性能对比

废气再循环和进气加热是实现汽油机HCCI燃烧的两种不同方式,其对HCCI燃烧性能的影响也不同,为此,在同一台汽油机上分别采用废气再循环和进气加热实现HCCI燃烧,并分析了其在HCCI燃烧性能上存在差异的机理.试验结果表明,相对于进气加热,废气再循环的工质比热容高,但由于稀释比较小,使得其工质总热容反而低,从而缸内燃烧温度高.废气再循环HCCI燃烧的未燃HC排放比进气加热的排放值低41%～59%;NOx排放是后者的2～20倍;而CO排放与负荷有关;其燃烧效率比进气加热HCCI的值高0.8%～14%.然而,由于进气加热的PMEP低,缸内工质比热比大,传热损失小,最终使得进气加热HCCI燃烧的ISFC比废气再循环HCCI燃烧的值低6.6%～16.4%.     

代理汽油在均质压燃内燃机中燃烧特性的模拟研究

在均质压燃（HCCI）内燃机中,燃烧主要由化学动力学控制。研究燃料的化学动力学反应机理对了解和控制HCCI具有重要意义。本文利用CHEMKIN多区模型,研究了由正庚烷、异辛烷和甲苯混合而成的代理汽油的燃烧特性。计算结果显示,多区模型弥补了单区模型中出现的温度压强陡升缺点,能更好地反映缸内真实燃烧过程。多区温度分布区间越广,则燃烧提前,燃烧持续期长。各区NOx排放和温度分布趋势类似。HC和CO排放主要集中在燃烧不完全的第1区。     

均质压燃发动机燃烧与排放的多区模型模拟

应用一个有质量交换的6区模型模拟正庚烷在HCCI发动机中的燃烧和排放特性．通过把缸内划分为缝隙区、边界层区、外核心区和内核心区,加入Woschni传热模型计入了缸内的温度和浓度的不均匀分布．全部计算基于正庚烷燃烧的包含57种组分290个反应的详细机理,结果表明,该多区模型合理地模拟了HCCI发动机的燃烧过程,并可满意地预测出HC、CO和NO的排放．最后采用此多区模型分别讨论了缝隙容积、边界层厚度和壁面温度对HCCI发动机的燃烧和排放的影响．     

Experimental study of combustion and emission characteristics of ethanol fuelled port injected homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion engine

The homogeneous charge compression ignition (HCCI) is an alternative combustion concept for in reciprocating engines. The HCCI combustion engine offers significant benefits in terms of its high efficiency and ultra low emissions. In this investigation, port injection technique is used for preparing homogeneous charge. The combustion and emission characteristics of a HCCI engine fuelled with ethanol were investigated on a modified two-cylinder, four-stroke engine. The experiment is conducted with varying intake air temperature (120–150 °C) and at different air–fuel ratios, for which stable HCCI combustion is achieved. In-cylinder pressure, heat release analysis and exhaust emission measurements were employed for combustion diagnostics. In this study, effect of intake air temperature on combustion parameters, thermal efficiency, combustion efficiency and emissions in HCCI combustion engine is analyzed and discussed in detail. The experimental results indicate that the air–fuel ratio and intake air temperature have significant effect on the maximum in-cylinder pressure and its position, gas exchange efficiency, thermal efficiency, combustion efficiency, maximum rate of pressure rise and the heat release rate. Results show that for all stable operation points, NO_x emissions are lower than 10 ppm however HC and CO emissions are higher.     

活性添加剂对高辛烷值燃料HCCI着火时刻与燃烧速率的影响

为研讨活性添加剂过氧化二叔丁基(DTBP)对高辛烷值燃料以HCCI燃烧模式运行时的放热率特征、着火时刻、燃烧持续期和排放特性的影响,在一台单缸发动机上,在辛烷值为90(RON90)(90％的异辛烷和10％的正庚烷)的混合燃料中加入不同比例(0～4％)的DTBP,考察5种燃料在1800r／min下不同负荷时的燃烧特性和排放特性．实验结果表明：RON90中没有添加剂时,只能在高温、高负荷下才能以HCCI燃烧模式运行;在其中加入少量的DTBP后,RON90实现HCCI燃烧的工况范围向低温低负荷下大幅度拓展．各种燃料的HCCI燃烧冷焰反应发生在850K左右,到950K结束,进入负温度系数区(NTC),在1125K左右突破NTC区而发生热着火．随DTBP含量增加,系统温度达到冷焰反应和热焰反应的化学时间尺度缩短,因此着火时刻提前,燃烧持续期缩短,特别是提高了低负荷下的燃烧速率．添加剂使各种当量比下未燃碳氢(UHC)和一氧化碳(CO)排放显著改善,NOx排放也保持在很低的水平．     

废气再循环和发动机运转参数对不同辛烷值燃料HCCI燃烧的影响

考察了废气再循环(EGR)、进气温度、冷却水出水温度和转速等发动机运转参数对HCCI发动机燃烧特征和排放特性的影响。实验结果表明：随EGR率提高,各种燃料的两阶段着火时刻推迟,燃烧持续期延长;高十六烷值燃料可以容许较高的EGR率,RON75最高仅可以采用45％的EGR;EGR对高十六烷值燃料的CO和UHC影响不大,对高辛烷值燃料的CO影响明显,并随EGR率增加CO排放升高。在其它运转参数中,进气温度对HCCI燃烧影响最为显著,随进气温度提高、冷却水温度升高,HCCI燃烧的着火时刻提前、燃烧持续期缩短,高辛烷值燃料的UHC和CO显著降低。转速升高,着火延迟,燃烧持续期延长。此外,研究发现,高辛烷值燃料对HCCI发动机的运转参数更为敏感。